電機及電力拖動教案之變壓器
| 授課題目 | 項目三 變 壓 器 | ||||||
| 授課方式 | 多媒體教學 | 課型 | 新授 | 課時 | 8 | ||
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教 學 目 標 |
知識目標 |
1．掌握變壓器的工作原理和銘牌數據的含義，了解變壓器的分類和結構 2．了解變壓器空載運行和負載運行的物理情況 3．掌握變壓器空載運行和負載運行時的基本方程式、等效電路 4．掌握變壓器的運行特性 5．了解三相變壓器并聯運行的原因，掌握三相變壓器并聯運行的條件 6．了解自耦變壓器、儀用互感器、電焊變壓器的結構、工作原理 |
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| 技能目標 |
1．掌握進行空載試驗和負載試驗的方法 2．能夠計算變壓器的參數 3．能夠折算繞組得到變壓器負載運行時的等效電路 |
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| 教學重點 | 變壓器的結構、“T”形等效電路、變壓器的外特性 | ||||||
| 教學難點 | 感應電動勢、負載運行時的電磁關系、自耦變壓器 | ||||||
| 教學方法 | 行動導向教學法 | ||||||
| 教學內容 |
1．了解變壓器的基本知識 2．了解變壓器的空載運行 3．了解變壓器的負載運行 4．掌握變壓器參數的測定方法 5．掌握變壓器的運行特性 6．認識三相變壓器 7．認識其他用途變壓器 |
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| 教學過程 | 任務一 | ||||||
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1．相關知識 1）變壓器的工作原理 2）變壓器的分類 3）變壓器的結構 （1）鐵芯 （2）繞組 繞組是變壓器的電路部分。它由漆包線或絕緣的扁銅線繞制而成，有同心式和交疊式兩種。同心式繞組是將高、低壓繞組套在同一鐵芯柱的內外兩層，如圖3-7所示。交疊式繞組的高、低壓繞組是沿軸向交疊放置的，如圖3-8所示。   圖3-7 同心式繞組 圖3-8 交疊式繞組 （3）其他部件 4）變壓器的銘牌數據 （1）變壓器的型號 （2）變壓器的額定數據 （3）變壓器的其他數據 |
帶領學生學習 新知識 |
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2．任務實施 老師提供可打開的變壓器實物，并組織學生共同完成以下任務。 1）將全班學生進行分組，并選出小組長。 2）每組分別對照實物指出變壓器的各個部件，并做簡要描述（如各部件的功能或作用原理）。 3）每組分別對照實物分析變壓器的工作原理。 4）討論結束后，小組長總結發言。 |
鞏固所學知識，提升學生實踐技能 | ||||||
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3．任務測試 學生利用所學知識，回答以下問題。 1）變壓器的類型有哪些？ 2）儲油柜、氣體繼電器和安全氣道各有什么作用？ |
進一步 鞏固所學知識 |
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| 任務二 | |||||||
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1．相關知識 1）空載運行時的物理情況 2）空載運行時的電磁關系 （1）各電、磁量正方向的規定 （2）感應電動勢 （3）電壓平衡關系 按圖3-12所示的各物理量的正方向，根據電路的基爾霍夫電壓定律，容易得出一、二次繞組的電壓平衡方程式如下。  （3-12） （3-13）式中：r1——一次繞組的電阻； Z1——一次繞組的漏阻抗；  ——二次繞組開路時的開路電壓有效值向量。由于漏磁路主要由非磁性介質構成，其磁阻很大，漏磁通很小，因此反映漏磁通的漏電感和漏電抗很小，I0Z1也很小，有：  （3-14）由此看出，主磁通的大小主要決定于電源的大小，只要電源電壓不變，可以認為主磁通維持不變，這是一個很重要的結論，在變壓器負載運行時仍然成立。 3）空載電流和空載損耗 4）空載運行時的等效電路 |
帶領學生學習 新知識 |
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2．任務實施 老師組織一場分組討論。 1）將學生分組，并選出小組長。 2）每組同學自由模擬空載運行過程。 3）模擬過程中，請小組長總結。 4）討論結束后，由老師提問，小組組長發言。 |
鞏固所學知識， | ||||||
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3．任務測試 學生利用所學知識，完成以下任務。 1）寫出空載運行時的物理情況。 2）描述變壓器空載運行時，各電、磁量的正方向是如何規定的。 |
進一步 鞏固所學知識 |
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| 任務三 | |||||||
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1．相關知識 1）負載運行時的物理情況 2）負載運行時的電磁關系 （1）磁動勢平衡方程式 空載時的主磁通  由空載磁動勢 建立，負載時主磁通 則由 建立。因為從空載到負載，電源電壓不變，所以主磁通不變，因此建立主磁通的磁動勢相等，即： （3-18）這一關系式稱為磁動勢平衡方程式。 式（3-18）兩邊同除以N1并移相，得：  （3-19）由式（3-19）可知，當負載電流增大時，  增大，一次繞組的電流 也隨之增大。可見，雖然變壓器的一、二次繞組之間沒有直接的電路聯系，但負載電流的變化也會使原邊電流相應地發生改變。（2）電壓平衡方程式 3）負載運行時的等效電路 （1）繞組的折 （2）“T”形等效電路 經過折算繞組，可得變壓器的部分等效電路，如圖3-16（a）所示。其中一、二次側之間的耦合作用，由主磁通在繞組中產生的感應電動勢  ， 反映出來，經過折算繞組后， ，構成了相應的一、二次側部分的等效電路。又根據 和 的關系式，可將一、二次繞組的等效電路和勵磁支路連接起來，構成圖3-16（b）所示的等效電路。由于它的6個參數分布如“T”形，所以稱為“T”形等效電路。 （a）部分等效電路  （b）“T”形等效電路 圖3-16 變壓器的“T”形等效電路的形成過程 （3）近似和簡化等效電路 |
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2．任務實施 老師組織學生用近似和簡化等效電路完成一、二次側電流及二次側電壓的計算。 已知一臺單相變壓器的數據為：  ， ， ， ， ， ， ， 。一次側加上額定頻率的額定電壓，并保持不變，二次側接負載阻抗 。 |
鞏固所學知識， | ||||||
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3．任務測試 學生利用所學知識，完成以下任務。 1）描述負載運行時的物理情況。 2）解釋這一原因：變壓器一、二次繞組沒有直接的電路連接，可是，當負載運行時，二次側電流增大或減小的同時，一次側電流也隨之增大或減小。 |
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| 任務四 | |||||||
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1．相關知識 1）空載試驗 2）短路試驗 3）標幺值 |
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2．任務實施 老師給出如圖3-22、圖3-23所示空載試驗和短路試驗的線路圖，請同學們分組討論該試驗的操作方法。  圖3-22 變壓器的空載試驗線路圖  圖3-23 變壓器的短路試驗線路圖 |
鞏固所學知識，提升學生實踐技能 | ||||||
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3．任務測試 學生利用所學知識，回答以下問題。 1）空載試驗和短路試驗的目的是什么？ 2）變壓器的空載試驗一般在哪側進行？短路試驗一般在哪側進行？ 3）標幺值是如何定義的？ |
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| 任務五 | |||||||
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1．相關知識 1）變壓器的外特性和電壓變化率 （1）變壓器的外特性 （2）變壓器的電壓變化率 2）變壓器的損耗和效率 （1）變壓器的損耗 （2）變壓器的效率 |
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2．任務實施 老師組織一場作圖比賽。 1）將學生分組，并選出小組長。 2）每組學生在規定時間內，畫出變壓器的外特性曲線和效率特性曲線，并做簡要文字說明（組內同學可分工合作）。 3）作圖結束后，由老師提問，小組組長發言。 |
鞏固所學知識，提升學生實踐技能 | ||||||
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3．任務測試 學生利用所學知識，回答以下問題。 1）變壓器的電壓變化率是如何定義的？它與哪些因素有關？ 2）變壓器的效率與哪些因素有關？ 3）變壓器運行中有哪些基本損耗？它們與哪些因素有關？ |
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| 任務六 | |||||||
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1．相關知識 1）三相變壓器的磁路結構 （1）三相組式變壓器的磁路結構 （2）三相心式變壓器的磁路結構 2）單相變壓器的極性 3）三相變壓器繞組的聯結及聯結組 （1）星形聯結 （2）三角形聯結 （3）Yy聯結組 （4）Yd聯結組 4）三相變壓器的并聯運行 （1）三相變壓器并聯運行的原因 （2）三相變壓器并聯運行的條件 |
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2．任務實施 老師組織開展一場關于“三相變壓器為什么要并聯運行？并聯運行時需要滿足什么條件？”的討論，帶領學生共同完成以下任務。 1）將學生分組，并選出小組長。 2）每組同學自由討論。 3）討論過程中，請小組長總結。 4）討論結束后，由老師提問，小組組長發言，每小組回答并聯運行的原因或并聯運行的一個條件。 |
鞏固所學知識， | ||||||
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3．任務測試 學生利用所學知識，回答以下問題。 1）三相心式變壓器與三相組式變壓器相比，有什么優點？ 2）怎樣判斷變壓器的極性？ 3）什么是時鐘表示法？ |
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| 任務七 | |||||||
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1．相關知識 1）自耦變壓器 （1）電壓關系 與單相變壓器相同，忽略漏阻抗壓降的影響，有：  （3-49） 式中：Ka——自耦變壓器的變壓比。 可見，在外加電壓U1一定時，通過移動二次繞組的移動觸頭，使二次繞組的匝數N2改變，便可改變自耦變壓器的變壓比Ka，達到調節二次繞組電壓U2的目的。 （2）電流關系 （3）功率關系 自耦變壓器的視在功率S為：  （3-55）上式說明，自耦變壓器提供給負載的視在功率為U2I2由兩部分組成：一部分來自一次繞組吸收電源的功率U2I1，通過電路直接向負載傳送，稱為傳遞功率；另一部分是通過電磁感應產生并向負載傳送的功率U2I，稱為電磁功率。這一功率關系是自耦變壓器所特有的，所以相同容量的自耦變壓器比雙繞組變壓器消耗材料更少。 （4）自耦變壓器的優缺點 （5）自耦變壓器的應用場合 2）儀用互感器 （1）電流互感器 （2）電壓互感器 3）電焊變壓器 |
帶領學生學習 新知識 |
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2．任務實施 老師組織開展一場關于“常用其他用途變壓器有哪些？”的討論，帶領學生共同完成以下任務。 1）將學生分組，并選出小組長。 2）每組同學自由討論。 3）討論過程中，請小組長總結。 4）討論結束后，由老師提問，小組組長發言。 |
鞏固所學知識， | ||||||
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3．任務測試 學生利用所學知識，回答以下問題。 1）自耦變壓器有哪些優缺點？ 2）使用電壓互感器時必須注意哪些事項？ 3）為了保證電焊的質量和電弧燃燒的穩定性，對電焊變壓器有哪些要求？ |
進一步 鞏固所學知識 |
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| 課堂總結 | |||||||
